超導(dǎo)電力技術(shù)在未來(lái)智能電網(wǎng)應(yīng)用探討

夏宗明　耿振翔

[摘? ? 要]伴隨著電力系統(tǒng)的大力發(fā)展，電力工業(yè)的發(fā)展方向逐漸朝著智能化發(fā)展，同時(shí)越來(lái)越多的智能化設(shè)備和技術(shù)被廣泛應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，極大的推動(dòng)了我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。作為一種全新的技術(shù)，超導(dǎo)電力技術(shù)在電網(wǎng)中發(fā)揮出了重要作用，深化改革了我國(guó)的電力行業(yè)，并加速了智能電網(wǎng)的智能化程度。鑒于此，本文就超導(dǎo)電力技術(shù)的含義、產(chǎn)生和發(fā)展、應(yīng)用及將來(lái)的研究方向進(jìn)行了探討，以供參考。

[關(guān)鍵詞]超導(dǎo)電力技術(shù);智能電網(wǎng);超導(dǎo)儲(chǔ)能;應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）06–0–03

Application of Superconducting Power Technology in Smart Grid in the Future

Xia Zong-ming， Geng Zhen-xiang

[Abstract]With the vigorous development of power system， the development direction of power industry is gradually towards intelligent development. At the same time， more and more intelligent equipment and technology are widely used in the power system， which greatly promotes the development process of China's power industry. As a new technology， superconducting power technology plays an important role in the power grid， deepening the reform of China's power industry， and accelerating the intelligent degree of smart grid. In view of this， this paper discusses the meaning， generation， development， application and future research direction of superconducting power technology for reference.

[Keywords]superconducting power technology; smart grid; superconducting energy storage; application

在我國(guó)電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展過(guò)程中，智能電網(wǎng)至關(guān)重要，相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)，其更加穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)，對(duì)可再生資源的包容性也較大。而在智能電網(wǎng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，超導(dǎo)電力技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，可為智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)揮重要作用。然而，電力系統(tǒng)的運(yùn)行較為特殊和復(fù)雜，對(duì)于超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用，也為電力系統(tǒng)自身帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)，為了更好的掌握超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用技巧，需結(jié)合實(shí)踐和理論2方面進(jìn)行分析，具體內(nèi)容如下。

1 超導(dǎo)電力技術(shù)簡(jiǎn)介

超導(dǎo)電力技術(shù)在西方國(guó)家具有相對(duì)較高的關(guān)注度。近期，美國(guó)也提出了與超導(dǎo)電力技術(shù)相關(guān)的計(jì)劃，并計(jì)劃將其應(yīng)用在重要電網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程中。美國(guó)能源部認(rèn)為在21世紀(jì)電力工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，超導(dǎo)電力技術(shù)具有較高的技術(shù)儲(chǔ)備，可極大的提升美國(guó)對(duì)高新技術(shù)的應(yīng)用能力，而日本相關(guān)機(jī)構(gòu)則認(rèn)為發(fā)展高溫超導(dǎo)電力技術(shù)，可提升其在21世紀(jì)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

我國(guó)的科研組織也較為注重對(duì)超導(dǎo)技術(shù)的研發(fā)和利用，并在現(xiàn)階段取得了一定進(jìn)展，但相較于國(guó)際頂尖水平，還具有差距和不足之處。

超導(dǎo)電力技術(shù)的工業(yè)背景復(fù)雜，涉及的領(lǐng)域和學(xué)科知識(shí)也較為繁雜，因此其研究?jī)?nèi)容比較多樣化。本文從電網(wǎng)系統(tǒng)出發(fā)，概括了在未來(lái)的智能電網(wǎng)中，超導(dǎo)電力技術(shù)的具體應(yīng)用。超導(dǎo)電力技術(shù)主要包含輸電電纜、變壓器、電動(dòng)機(jī)等應(yīng)用產(chǎn)品，可極大的改善電網(wǎng)容量、提升電能質(zhì)量，確保供電更加安全和可靠。此外，超導(dǎo)電力技術(shù)的應(yīng)用，還有助于加快電力技術(shù)的發(fā)展速度，并對(duì)智能電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)進(jìn)行改善。

2 超導(dǎo)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展背景

荷蘭研究得出汞在4.2K時(shí)具有零電阻，將此現(xiàn)象定義為超導(dǎo)電性。汞具有零電阻時(shí)所處的溫度為臨界溫度，也可稱為轉(zhuǎn)變溫度，Tc表示。超導(dǎo)現(xiàn)象則是指物體在某一溫度時(shí)，具有零電阻。材料具有該屬性時(shí)則為超導(dǎo)材料。在這一臨界溫度下，處于正常狀態(tài)的超導(dǎo)體則轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。當(dāng)前超導(dǎo)材料的應(yīng)用范圍還比較局限，很多科學(xué)家也加強(qiáng)了對(duì)高溫超導(dǎo)的研究，一旦成功，在使用該超導(dǎo)材料時(shí)，將會(huì)極大的節(jié)省電能，并且不會(huì)產(chǎn)生較多熱量。在特定溫度下具有超導(dǎo)電性的物體為超導(dǎo)體。相關(guān)研究得出元素周期表中具有超導(dǎo)電性的金屬共有26種，單個(gè)金屬具有較低的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，應(yīng)用價(jià)值較低。為此，人們應(yīng)加強(qiáng)了對(duì)金屬合金超導(dǎo)電性的研究。

其中，Nb3Ge超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度最高，為23.2K。在極低的溫度下，超導(dǎo)材料才出現(xiàn)超導(dǎo)狀態(tài)，若沒(méi)有低溫技術(shù)，將無(wú)法發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性，也研究不出超導(dǎo)材料。由此可知，材料發(fā)展可促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，反之亦然。

低溫超導(dǎo)材料在呈現(xiàn)出超導(dǎo)態(tài)時(shí)，需使用液氦作為制冷劑，具有較大的應(yīng)用權(quán)限。為此，應(yīng)加強(qiáng)了對(duì)高溫超導(dǎo)體的研究，并于1986年取得了關(guān)鍵性突破。瑞士的2位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)其研制的混合金屬氧化物L(fēng)a-Ba-CuO，在溫度為35K時(shí)具有超導(dǎo)電性。該發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代意義，也讓人們開(kāi)始研究混合金屬氧化物超導(dǎo)體。緊接著美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在90K時(shí)，混合金屬氧化物Y-Ba-CuO也具有超導(dǎo)電性，且其轉(zhuǎn)變溫度高于液氮溫度（77k）。此外，當(dāng)前如Bi-Ca-CuO等新超導(dǎo)氧化物不斷涌現(xiàn)，且其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于120K。人們?cè)诩訌?qiáng)對(duì)高溫超導(dǎo)體研究的同時(shí)，也迫切需求室溫超導(dǎo)材料。

人們得出C60與堿金屬可形成超導(dǎo)體AxC60，且具有較金屬合金超導(dǎo)體較高的轉(zhuǎn)變溫度，層狀結(jié)構(gòu)，為二維超導(dǎo)。因此，AxC60超導(dǎo)體的發(fā)展前景較好。

3 超導(dǎo)技術(shù)在未來(lái)智能電網(wǎng)的應(yīng)用

3.1 改善電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性

智能電網(wǎng)自身所具有的特性，可充分保障大電網(wǎng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定，未來(lái)智能電網(wǎng)的能量流動(dòng)具有雙向性，因此為了消除電力系統(tǒng)擾動(dòng)的影響，需研發(fā)新型技術(shù)和設(shè)備，從而推動(dòng)未來(lái)電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。大型超導(dǎo)裝置具有較快的反應(yīng)速度，且可將有功或無(wú)功電源加入到電力系統(tǒng)中，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的有功備用率，使其可隨時(shí)應(yīng)對(duì)故障。有功調(diào)節(jié)及無(wú)功調(diào)節(jié)，可使系統(tǒng)隨時(shí)應(yīng)對(duì)各種干擾，且可控性較強(qiáng)，以此來(lái)保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相比于當(dāng)前的大電網(wǎng)穩(wěn)定裝置，超導(dǎo)電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為可回收過(guò)剩能量、響應(yīng)速度較快，可提升智能電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

3.2 增強(qiáng)電力系統(tǒng)對(duì)小干擾因素的穩(wěn)定性

將來(lái)可再生能源加入到智能電網(wǎng)中，然而其大體的發(fā)展方向依然不變，仍保持大電網(wǎng)、大機(jī)組的發(fā)展類型，輸送的電能也極有可能包含大容量和遠(yuǎn)距離，系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)具有較低的安全性。規(guī)模較大的互聯(lián)系統(tǒng)，對(duì)于較小的干擾因素，能否具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，與區(qū)域聯(lián)絡(luò)線的功率振蕩情況有關(guān)。在輸電系統(tǒng)中，如果可對(duì)功率越限情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，如功率較高時(shí)進(jìn)行吸收，功率較低時(shí)進(jìn)行釋放，從而確保聯(lián)絡(luò)線功率的穩(wěn)定，則可提升系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)在充電和放電方面具有較大的速度，并可為系統(tǒng)提供有功功率或者無(wú)功功率，在添加阻尼控制器的條件下，可實(shí)時(shí)補(bǔ)償線路功率，避免系統(tǒng)振蕩。超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，可增強(qiáng)超導(dǎo)電纜在輸電過(guò)程中的適用性。超導(dǎo)電纜的優(yōu)點(diǎn)為無(wú)污染，靈活，損耗低，傳輸大等特點(diǎn)，可有效緩解當(dāng)前的電能傳輸問(wèn)題。在超導(dǎo)情況下，超導(dǎo)電纜的阻抗較小，因此應(yīng)用超導(dǎo)電纜技術(shù)，可使互聯(lián)系統(tǒng)之間具有更為緊密的電氣聯(lián)系，最終保障電網(wǎng)對(duì)于小干擾具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

3.3 提升對(duì)智能電網(wǎng)的抗打擊能力

電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中，常常會(huì)遇到如戰(zhàn)爭(zhēng)、自然力和人為因素等方面的外部打擊作用，為此需增強(qiáng)電網(wǎng)的抗打擊能力。結(jié)合智能電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，增強(qiáng)其防御能力，可充分保障其在外部打擊作用下，安全、穩(wěn)定運(yùn)行。在提升智能電網(wǎng)的抗打擊能力時(shí)，需對(duì)重要電荷的供電能力進(jìn)行保護(hù)。中小型超導(dǎo)儲(chǔ)能設(shè)備具有反應(yīng)速度快、容量密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此可將其應(yīng)用到配電系統(tǒng)中，使其發(fā)揮出備用電源的保護(hù)作用。使電網(wǎng)具有較強(qiáng)的防御能力，增強(qiáng)其在非正常條件下的電力輸送能力。應(yīng)用超導(dǎo)電力技術(shù)，可使其在低電壓下運(yùn)行時(shí)，仍具有較強(qiáng)的電能輸送能力。因此，超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，可全面提升智能電網(wǎng)的防御能力。

3.4 提升電網(wǎng)的電能質(zhì)量

在當(dāng)前的信息化社會(huì)中，電網(wǎng)電壓和頻率發(fā)生變化，都將干擾信息系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并嚴(yán)重影響工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量。智能電網(wǎng)自身所具有的特性，可滿足其負(fù)荷側(cè)要求，因此智能電網(wǎng)需注重對(duì)系統(tǒng)供電品質(zhì)的改善。針對(duì)某些功率大、距離遠(yuǎn)的輸變電系統(tǒng)，可將大型超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置應(yīng)用在其輸電過(guò)程中，從而提升電網(wǎng)電能質(zhì)量。超導(dǎo)儲(chǔ)能可對(duì)能量進(jìn)行瞬時(shí)吸收和釋放，從而保持頻率的穩(wěn)定;并借助電壓和無(wú)功支持穩(wěn)定電壓極。在中小型或微型超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置的配電過(guò)程中，其可通過(guò)對(duì)有功或無(wú)功特性的高速調(diào)節(jié)，來(lái)改善功率因數(shù)，并對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行穩(wěn)定，避免電壓出現(xiàn)瞬時(shí)波動(dòng)，從而保障供電質(zhì)量。

4 超導(dǎo)技術(shù)在智能電網(wǎng)的研究方向

相比于傳統(tǒng)的電力裝置，超導(dǎo)電力裝置的特性不同，會(huì)極大的影響電力系統(tǒng)的特性。該系統(tǒng)和裝置的相互作用，會(huì)將類型不同的數(shù)學(xué)方程引入到當(dāng)前大規(guī)模電力系統(tǒng)的高階非線性復(fù)雜動(dòng)態(tài)模型中，并在二者的結(jié)合過(guò)程中，帶來(lái)較多的學(xué)科問(wèn)題，從而沖擊傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)理論。為此，需結(jié)合系統(tǒng)角度研究超導(dǎo)電力系統(tǒng)理論，研究方向如下：

（1）研究超導(dǎo)電力裝置的動(dòng)力學(xué)建模。在時(shí)間尺度和動(dòng)作特性方面，超導(dǎo)電力裝置的特性不同。因此結(jié)合傳統(tǒng)元件，在分析超導(dǎo)電力裝置影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定方面時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。

（2）超導(dǎo)電力系統(tǒng)的控制和分級(jí)建模。超導(dǎo)電力的模型和動(dòng)態(tài)行為比較特殊，在對(duì)裝置進(jìn)行變換和控制時(shí)，使用功率較大的電力電子來(lái)完成，在裝置和系統(tǒng)兩個(gè)等級(jí)上，來(lái)約束建模和控制。

（3）超導(dǎo)電力裝置協(xié)助智能電網(wǎng)運(yùn)行。超導(dǎo)電力裝置自身所具有的特性，對(duì)于電力系統(tǒng)本身并不適應(yīng)，因此，需結(jié)合傳統(tǒng)電網(wǎng)的保護(hù)手段、運(yùn)行方式進(jìn)行有效調(diào)整，從而協(xié)調(diào)二者之間的運(yùn)行關(guān)系，從而增強(qiáng)超導(dǎo)在未來(lái)電網(wǎng)中的優(yōu)越性。

（4）智能控制超導(dǎo)電力系統(tǒng)的方式。智能電網(wǎng)在決策和控制方面，其實(shí)時(shí)性、易用性較高，并可相互操作，因此需結(jié)合智能電網(wǎng)的控制要求，對(duì)超導(dǎo)電力系統(tǒng)進(jìn)行改善，提升電能質(zhì)量和快速預(yù)測(cè)、檢測(cè)、判斷故障的能力。針對(duì)超導(dǎo)電力系統(tǒng)的應(yīng)對(duì)措施、控制方法及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

（5）對(duì)快速可控裝置進(jìn)行智能協(xié)調(diào)控制。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，快速可控元件主要在電網(wǎng)端部節(jié)點(diǎn)的發(fā)電機(jī)位置，而應(yīng)用超導(dǎo)電力裝置，可改善這一現(xiàn)象，將快速可控元件均勻分布在電網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，為此，需加強(qiáng)研究提升各類快速可控裝置的協(xié)調(diào)性。

5 結(jié)語(yǔ)

超導(dǎo)電力技術(shù)作為一種高新技術(shù)，具有劃時(shí)代意義和價(jià)值，在21世紀(jì)也具有較大的經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略性。將超導(dǎo)電力技術(shù)應(yīng)用在智能電網(wǎng)中，可改善傳統(tǒng)電網(wǎng)的不足和缺陷，確保電網(wǎng)系統(tǒng)更加安全和穩(wěn)定，且具有較強(qiáng)的抗擊打能力，也極大的改善了電能質(zhì)量，促使能源結(jié)構(gòu)更加多元化，在智能電網(wǎng)的開(kāi)發(fā)和發(fā)展方面，超導(dǎo)電力技術(shù)具有顯著作用。結(jié)合當(dāng)前超導(dǎo)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用來(lái)看，其還處于初期的發(fā)展階段，還需結(jié)合理論和實(shí)踐兩方面展開(kāi)探討，充分發(fā)揮其在我國(guó)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值，從而進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)電網(wǎng)的智能化發(fā)展進(jìn)程。

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